關(guān)于巨型鋼錠電渣技術(shù)之我見

向大林

(上海重型機器廠有限公司，上海200245)

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主要支柱，重大型裝備制造業(yè)是制造業(yè)的骨干。能源工程、冶金工程、船舶工程、石化工程等重大型裝備制造需要超過100 t直至300 t重的大鍛件，而且對大鍛件的質(zhì)量性能要求越來越高，以致大鍛件特別是高端大鍛件已成為制約我國重大型裝備制造業(yè)發(fā)展的重大瓶頸問題。比如，我國核電建設(shè)已步入規(guī)模化、批量化快速發(fā)展的新階段，未來20年，每年都將有6臺～ 10臺百萬千瓦級的核電機組開工建設(shè)。核電大鍛件需要600 t的電爐錠，在世界范圍內(nèi)采購都很緊張，國外廠家有時都不一定會賣。汽輪機低壓轉(zhuǎn)子、大型支撐輥等也有類似情況。

優(yōu)質(zhì)巨型鋼錠是獲得大鍛件的基礎(chǔ)和前提，大鍛件生產(chǎn)的限制性環(huán)節(jié)在于缺乏優(yōu)質(zhì)巨型鋼錠，比如600 t的電爐錠。電渣重熔是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)巨型鋼錠的先進技術(shù)和有效方法，但由于工業(yè)應(yīng)用時間不長，生產(chǎn)實踐經(jīng)驗有限，人們還缺乏對它的了解和認識。這些年來，有不少人咨詢探討關(guān)于巨型錠電渣重熔的技術(shù)、質(zhì)量和經(jīng)濟方面的問題，現(xiàn)根據(jù)筆者從事200 t電渣爐的生產(chǎn)技術(shù)研究和產(chǎn)品生產(chǎn)實踐近30年的體會，談一些看法，以一得之愚就教于各路方家，也是對咨詢質(zhì)疑者一并作答。

1 技術(shù)優(yōu)勢

1.1 精煉作用充分

(1)電渣重熔過程中，金屬是在渣池中以薄膜形式微量熔化，并以若干細小熔滴下落穿過渣池。特別是，金屬液膜在電極端頭滑移匯流成滴的過程中，其表面積還在不斷更新。因此，電渣重熔過程中，渣/鋼反應(yīng)的接觸面之大是其他冶金方法難以相比的。就拿200 t電渣爐來說，取熔化速度為4 t/h，則每根電極的熔化速度僅為185 g/s。據(jù)推算[1、2]，渣/鋼之間的反應(yīng)接觸界面約為1 400 mm2/g，大約為100 t電弧爐渣/鋼之間的反應(yīng)接觸界面(0.2 mm2/g)的7 000倍。

(2)渣池過熱度高達400℃左右，渣池受電磁力及熱對流的強烈攪拌作用非?；钴S，這就為金屬的精煉凈化創(chuàng)造了優(yōu)越的傳質(zhì)條件。因此，電渣重熔過程中金屬受到熔渣的強烈有效的精煉，冶金反應(yīng)進行得既迅速又充分，精煉效果極佳。

(3)凈化金屬的爐渣自由度大，可控性強，在合適的工藝制度下，可對重熔金屬的不同雜質(zhì)實現(xiàn)有選擇性的精煉。比如，在熔渣含Al約10%、渣/鋼接觸界面的Al濃度梯度為1 000∶1的條件下，可把鋼中Al控制在0.010%以下而又兼有高的氧凈度，同時使活性元素也受到保護[3、4]。

1.2 夾雜物外部來源被杜絕

鋼中的外來夾雜物常常使超聲波檢驗通不過，是導(dǎo)致大鍛件報廢的主要原因。而電渣重熔卻有效地消除了夾雜物的外部來源。因為鋼水的精煉和鑄錠合并在同一個水冷金屬模內(nèi)同時進行，始終不接觸耐火材料，熔渣的覆蓋還使金屬不接觸空氣，這就避免了電爐法生產(chǎn)大鋼錠在熔煉和澆鑄過程中鋼水遭受耐火材料污染的問題，又防止了鋼水在出鋼和澆鑄過程中的二次氧化和吸氣。

1.3 凝固條件優(yōu)越

(1)電渣錠不是像普通鋼錠那樣以總量液態(tài)金屬而是以少量金屬熔池形式進行凝固的。電渣錠在凝固過程的任何時刻，處于液體狀態(tài)的金屬重量都在所煉鋼錠重量的10% 以下。據(jù)計算機計算，以4 t/h的熔化速度重熔?3 m的電渣錠，在錠高達到6 m之前的熔池深度不會超過1 m。因此，200 t電渣錠的熔池鋼水量應(yīng)不超過15 t。這個計算結(jié)果與生產(chǎn)實際相符。

(2)電渣錠在凝固過程中，不是像普通鋼錠那樣靠自然冷卻緩慢結(jié)晶，而是上部始終有高溫電渣加熱，同時又受到底部的強制水冷。模壁與鋼錠之間的渣皮，既使鋼錠表面平滑，光潔無疵，又和凝固收縮形成的間隙一起，共同起到徑向絕熱作用，即液態(tài)金屬熔池同時受到定向加熱和定向冷卻的雙重作用。這種雙重作用，使熔化速度和結(jié)晶速度都可以調(diào)節(jié)和控制，這就創(chuàng)造了優(yōu)越的結(jié)晶條件，使鋼錠的凝固過程不是像普通鋼錠那樣靠緩慢的自然冷卻在封閉的體積內(nèi)進行，而是保持在很陡的溫度梯度條件下定向漸進結(jié)晶。不僅凝固收縮可以源源不斷地得到電極金屬的補充，而且形成A型偏析的條件已不復(fù)存在。因此，電渣錠的組織致密，沒有縮孔和疏松等低倍缺陷；化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的均勻性很高；無區(qū)域偏析和沉積錐，顯微偏析也得以大大改善。

(3)衡量鋼錠顯微組織優(yōu)劣的枝晶間距取決于凝固冷卻速度。在強制冷卻條件下以少量液態(tài)金屬結(jié)晶方式快速凝固的電渣錠，枝晶間距小，被枝晶臂分割的顯微區(qū)域狹小分散，低熔點組元和雜質(zhì)就越不容易凝聚。這就從根本上改變了夾雜物從鋼液中析出以及沿晶界分布的特點，在凝固過程中得以細化和彌散，從而進一步降低了重熔過程中還未去除的已經(jīng)極少的夾雜物的危害。

1.4 工藝過程簡單易行，質(zhì)量影響因素少

電渣重熔把冶煉和澆鑄兩道工序合二為一，影響電渣錠質(zhì)量的因素只有自耗電極、電規(guī)范和渣制度等很少幾個。不像電爐錠那樣，質(zhì)量要受一系列因素的制約，如熔煉工藝；澆鑄工藝；操作技術(shù)；爐襯、出鋼槽、包襯和澆鑄系統(tǒng)的耐火材料；爐料和各種輔助材料；出鋼和澆注的二次氧化；爐外精煉和真空澆鑄設(shè)施；錠型和凝固條件；生產(chǎn)組織調(diào)度等。所以，電渣重熔過程簡單易行，可控性強，可靠性高。這較之傳統(tǒng)的電爐法具有突出的優(yōu)越性，僅就澆注而言就可見一斑。比如，多爐混澆一根435 t的鋼錠，從第一爐鋼水出鋼到澆注完畢需要5.5 h[52]，可以想象澆注600 t鋼錠時的復(fù)雜程度和難度，稍有不順，就可能前功盡棄，不好收拾。國內(nèi)不止一家已擁有生產(chǎn)600 t電爐錠的裝備，但都未見拿出600 t電爐錠。要可靠拿出合格的600 t電爐錠來，尚待時日。事非經(jīng)過不知難，而且難度要比預(yù)想的大得多。在這種情況下，有的單位急中生智，又果斷上了450 t電渣爐，迅速扭轉(zhuǎn)了局面，這個決策不但高識卓見，而且意義深遠。

2 質(zhì)量性能優(yōu)勢

2.1 均勻的成分

(1)表1、圖1和圖2是200 t電渣爐重熔的電渣錠及其所生產(chǎn)的鍛件的成分均勻性的實際分析結(jié)果。從中可以看出，?2 800 mm 電渣錠無論是在縱向或者是在橫向，以及長達7 m的鍛件上，其成分均勻性都很高。特別是10根120 t加氫反應(yīng)器電渣錠(表1)，每根鋼錠之間的成分差異也很小，具有與每根鋼錠沿錠高方向和橫斷面上的成分分布同樣高的均勻性。電渣錠在成分均勻性上的優(yōu)勢是如此令人驚異，考慮到分析誤差，可以認為這10根電渣錠是同一個成分。這就既為鍛件各部位性能的均勻性，而且也為整套設(shè)備各個鍛件性能的一致性創(chuàng)造了前提條件。

(2)國外對?2 300 mm電渣錠的成分均勻性進行分析研究并與?2 000 mm電爐錠的成分均勻性進行比較，得到與上述一致的結(jié)果[6]。

(3)強制冷卻的快速凝固使電渣錠的二次枝晶間距遠比自然冷卻的電爐錠的二次枝晶間距小。比如，?1 856 mm電爐錠心部的二次枝晶間距為6 mm～8 mm，而?2 300 mm電渣錠頂部中心的二次枝晶間距僅為2 mm[7]，與電爐錠柱狀晶區(qū)距錠表面處28 mm的二次枝晶間距相當。根據(jù)定量金相的原理實測?2 800 mm電渣錠中心部位的二次枝晶間距也只有2 mm。這樣，電渣錠不僅沒有宏觀偏析，顯微偏析也得以大大改善。用電子束顯微分析儀測量?2 300 mm電渣錠的顯微偏析，發(fā)現(xiàn)Cr、Mo等合金元素從錠表面到中心是相當均勻的[8]。

2.2 致密均勻的組織

實測表明[6]，?2 300 mm電渣錠(26NiCrMoV115)頂部和底部的密度沒有差別，中心與邊緣的密度也保持一致。就密度的絕對值而言，比?1 600 mm的同鋼種電爐錠高0.5%。因此，電渣錠熱加工變形量可以從通常的4～5減少到2左右。從圖3[6]可以看出，?2 300 mm電渣錠(26NiCrMoV115)的密度為7.840 g/cm3，當鍛壓比為1.5時，其心部密度就高達7.845 g/cm3，而且鍛壓比直至提高到5.7，心部密度也不再進一步增加；而?2 000 mm的同鋼種電爐錠，其密度僅為 7.805 g/cm3，當鍛壓比不小于4時，其密度才僅僅7.840 g/cm3，鍛壓比提高到6，密度也不再進一步增加，始終保持在7.840 g/cm3。這就是說，未經(jīng)鍛壓的電渣錠的密度與鍛壓比為4～6的電爐鋼鍛件的密度相當。

圖1 ?2 800 mm電渣錠(SA508Cl.3)橫向成分分布Figure 1 The transverse distribution of chemical compositions of a ?2 800 mm ESR ingot (SA508Cl.3)

CSiMnPSCrNiMoVAlCuAsSnABCDEFGHIJKLMNOPQR0.310.310.310.320.310.310.320.320.320.310.300.310.300.310.320.310.320.320.210.210.220.220.220.220.220.230.230.230.230.220.220.220.220.220.220.230.790.790.810.790.800.790.810.800.790.790.800.790.790.790.780.790.800.790.0090.0090.0090.0090.0090.0090.0090.0090.0090.0090.0090.0090.0090.0090.0090.0090.0080.0090.0010.0010.0010.0020.0010.0010.0020.0010.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0021.201.201.201.231.231.221.211.211.231.221.221.221.201.211.211.221.231.220.490.500.500.500.500.500.500.500.500.490.500.500.500.500.500.500.490.501.081.091.081.081.091.091.101.081.091.081.091.081.081.091.091.101.111.100.260.260.260.260.250.250.260.260.260.250.250.250.260.260.260.260.260.250.0090.0080.0080.0070.0080.0070.0080.0070.0070.0070.0070.0080.0090.0080.0080.0080.0080.008--<0.05--<0.05--<0.05--<0.05--<0.05-----<0.005--<0.005--<0.005--<0.005--<0.005-----<0.005--<0.005--<0.005--<0.005--<0.004---

2.3 夾雜物少，細小，彌散

電渣重熔固有的冶金特點不但可靠保證了鋼錠夾雜物數(shù)量少，而且優(yōu)越的結(jié)晶條件使重熔過程中未被去除的為數(shù)很少的夾雜物不易凝聚，而在凝固過程中得以細化、高度彌散。比如，?2 300 mm電渣錠的氧化物主要為0.5級[7]，將其鍛壓成?1 240 mm汽輪機轉(zhuǎn)子，超聲波檢驗的結(jié)果是：在轉(zhuǎn)子中心可以檢測到的缺陷尺寸為?1.0 mm，其他部位的缺陷尺寸都小于?1.0 mm[8]。用?2 800 mm電渣錠生產(chǎn)的?2 000 mm的轉(zhuǎn)子也取得同樣滿意的結(jié)果，超聲波檢驗起始靈敏度設(shè)為?1.1 mm也能通過[9]。

圖3 電渣錠和電爐錠及其鍛件的密度(26NiCrMoV115)Figure 3 The Density of ESR and EAF ingot before and after forging (26NiCrMoV115)

2.4 低氫含量

氫是使大鍛件產(chǎn)生致命缺陷白點從而導(dǎo)致報廢的主要因素，通常氫含量不允許超過2×10-6。在大氣下進行的電渣重熔的低氫(≤2×10-6)控制是人們常常討論、詢問最多的一個問題。的確，這是電渣冶金領(lǐng)域目前世界上存在的一大難題。但大量生產(chǎn)實踐證明，通過系統(tǒng)的綜合控制，即使在大氣濕度高達30 g/cm3的條件下持續(xù)重熔時間長達幾個晝夜，也完全能夠可靠生產(chǎn)出低氫大型電渣錠，無擴氫處理的重達130 t的電渣鋼大鍛件中的氫可低達1×10-6[10～12]。

2.5 性能優(yōu)異

(1)電渣錠有渣皮包覆，表面光滑無疵，特別是定向結(jié)晶、致密的組織和高純凈度(夾雜物數(shù)量少、尺寸小、分布均勻、晶界干凈)大大改善了金屬的熱塑性，以至在鍛造時，?2 800 mm電渣錠第一火一次壓下量達1 m也不開裂。電渣錠熱加工性能好，鍛壓過程中可以做到基本上不需燒剝。

(2)200 t電渣爐的生產(chǎn)實踐證明，電渣鋼核電大鍛件的性能優(yōu)于電爐鋼(見表2)。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，電渣鋼鍛件350℃時的強度和塑性都超過電爐鋼鍛件。國內(nèi)外的生產(chǎn)實踐都一致證明，電渣鋼鍛件的低溫沖擊值高、脆性轉(zhuǎn)變溫度(FATT)和無塑性轉(zhuǎn)變溫度(NDTT)低。比如，200 t電渣爐生產(chǎn)的560 t加氫反應(yīng)器大鍛件Cv-30>368 J/cm2，F(xiàn)ATT<-105℃；表2的電渣鋼核電大鍛件在強度超過電爐鋼的情況下，其-10℃的沖擊值幾乎是電爐鋼的2倍；-30℃的沖擊值與電爐鋼 +13℃的沖擊值相當；NDTT低達-40℃，比電爐鋼低20℃。

(3)電渣鋼大鍛件不但塑韌性儲備大，而且具有高度的各向同性。比如，用?2 300 mm電渣錠(26NiCrMoV115)生產(chǎn)的汽輪機轉(zhuǎn)子(?1 180 mm，L13 600 mm)的力學(xué)性能，切向各試樣之間、徑向各試樣之間以及切向試樣和徑向試樣之間，差異都很小[8]。又如，用?2 800 mm電渣錠(SA508C1.3)生產(chǎn)的核電大鍛件的-20℃沖擊值，軸向為119 J/cm2(120,118,120)，切向為126 J/cm2(121,129,129)，各向異性同樣很小，而且遠遠超過技術(shù)條件要求(軸向50 J/cm2，切向70 J/cm2)，具有很大的富余量。

(4)核壓力容器用鋼的抗中子輻照性能是決定核壓力容器取舍的考核指標。200 t電渣爐生產(chǎn)的核電大鍛件在HFETR上的輻照考核表明，電渣鋼核電大鍛件的輻照脆化敏感性小，抗中子輻照能力強。在蒸發(fā)器筒體鍛件T×T/4部位取樣以及縱向、切向套料，在輻照溫度為288℃、快中子通量為～3×1019n/cm2下輻照約一個月后，材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度的增值僅為41～43℃，其修正后的RTNDTJ ≤50℃，滿足NRC的10CFR50的修正后的RTNDTJ ≤93℃的要求；三種試樣輻照后的上平臺能量(USE)都大于160 J，滿足NRC的10CFR50的輻照后的USE >100 J的要求[13]。

3 經(jīng)濟優(yōu)勢

國內(nèi)外電渣鋼大鍛件生產(chǎn)實踐的大量事實使人們對電渣法在技術(shù)上的優(yōu)越性和質(zhì)量上的可靠性基本上都給予一致肯定，但一些人對它的經(jīng)濟性還有些不同看法，主要是因為它要增加重熔成本。經(jīng)濟性是技術(shù)的生命線和競爭力之所在，因此，不少專家專門對此做過系統(tǒng)的研究，最后都對電渣錠的經(jīng)濟性一致得出肯定的答案[14～17]，并指出，對于電渣錠主要任務(wù)是消除誤解和偏見[14]。巨型錠電渣重熔的經(jīng)濟性主要表現(xiàn)在以下幾方面。

3.1 投資低，經(jīng)濟合理

國內(nèi)的實踐早已證明，采用電渣法生產(chǎn)百噸以上的相同重量的大鍛件，其投資僅為傳統(tǒng)法的10%[18]。生產(chǎn)300 t重的鍛件，可用400 t電渣錠或600 t電爐錠，采用電渣重熔法生產(chǎn)300 t重的鍛件，其投資還不到傳統(tǒng)法的10%。這是因為：

表2 電渣鋼與電爐鋼核電鍛件性能比較Table 2 Compare ESR nuclear power forging with EAF nuclear power forging in properties

(1)電渣爐設(shè)備簡單容量小。電渣重熔的精煉和鑄錠都在同一金屬水冷模中，而且精煉和鑄錠同時進行，省去了龐大復(fù)雜的澆鑄設(shè)施。就電氣設(shè)備容量而言，電渣爐也小得多。200 t電渣爐的電氣設(shè)備容量僅與20 t電弧爐的電氣設(shè)備容量相當，400 t電渣爐的電氣設(shè)備容量僅與30 t電弧爐相當，而且無需解決電爐法通常存在的特大負荷超高功率供電、耐火材料和石墨電極等一系列難題。

(2)可以直接利用原有小煉鋼爐提供若干爐自耗電極通過以小拼大重熔成所需噸位的大型電渣錠。比如，上海重型機器廠的200 t電渣爐的自耗電極是由40 t電弧爐提供的，早期的100 t電渣爐的自耗電極則是由1 t電弧爐提供的。這既可以節(jié)省建造大型煉鋼設(shè)備所需數(shù)億元的巨額投資，又無龐大設(shè)備利用率不高之憂，還可以充分發(fā)揮現(xiàn)有小型熔煉設(shè)備的能力。

(3)生產(chǎn)相同重量的大鍛件時，若采用電渣錠則所需噸位要小得多。比如，一個要用400 t電爐錠來鍛造的鍛件，用電渣錠240 t就夠了，一個要用600 t電爐錠來鍛造的鍛件，用電渣錠400 t就綽綽有余。因此，廠房基礎(chǔ)、車間規(guī)模、起重運輸和鍛壓設(shè)備容量都大大減小。

在重大型裝備制造中，200 t乃至300 t重的鍛件畢竟不是很多。沿襲繼續(xù)擴大鋼錠尺寸和噸位，并大量切除不合格部分這種傳統(tǒng)工藝方法，投資規(guī)模巨大?；ㄙM巨額投資建造龐大設(shè)備去制取社會需求量不大、有用部分不多的巨型普通錠(如600 t錠)，筆者認為并不可取。龐大的廠房、設(shè)備、動力等固定資產(chǎn)折舊和巨大設(shè)備容量利用率問題都很突出；在技術(shù)上，還要攻克電爐法通常存在的特大負荷超高功率供電、耐火材料和石墨電極等一系列難題。比如，超高功率電弧爐(UHP)的單位爐容量變壓器功率水平已高達(800～1 000)kVA/t，一臺150t UHP就需要至少100 000 kVA的功率。為了避免網(wǎng)路“閃爍”等問題，網(wǎng)路容量一般應(yīng)大于負荷功率的80倍，具備這個條件不是件容易事。而電渣爐的用電負荷相對來講要小很多，因此，采用電渣法不僅經(jīng)濟合理，而且現(xiàn)實可行。

3.2 鋼錠利用率高

(1)電渣錠成分均勻，組織致密，表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量都很高，鋼錠的有用部分多。生產(chǎn)200 t重的鍛件，電渣錠的利用率可高達80%以上，而電爐錠的利用率僅50%左右。

(2)這種高的利用率會隨著鋼錠噸位的增加而增加。因為電渣錠的切頭切尾的絕對值是恒定不變的，甚至在生產(chǎn)筒體鍛件時，鋼錠頭尾都可利用而不需切除。因此，隨著鋼錠噸位的增加，電渣錠的高利用率不但不會像電爐錠那樣大幅度下降，反而呈上升趨勢。也就是說，隨著鍛件重量增加，特別是對于生產(chǎn)200 t乃至300 t重的鍛件，電渣錠的這個優(yōu)勢就更加突出。圖4是一個83 t的無切除量電渣鋼鍛件的端部外觀，該鍛件的兩端性能優(yōu)異，特別是，Cv-30>368 J/cm2，F(xiàn)ATT< -105℃。國外資料[14]認為，生產(chǎn)200 t重的鍛件，其鋼錠利用率在電渣錠與電爐錠之間相差約25個百分點，這也符合國內(nèi)200 t電渣爐的生產(chǎn)實際情況。一個240 t重的鋼錠的利用率提高25個百分點，等于多生產(chǎn)60 t鍛件；一個400 t重的鋼錠的利用率提高25個百分點，等于多生產(chǎn)100 t鍛件。這個經(jīng)濟價值是相當大的，抵消重熔成本是綽綽有余的。

(3)電渣錠的重量可以靈活控制。電渣錠不是像澆電爐錠那樣，一定的錠模就只能澆一定重量的鋼錠。根據(jù)鍛壓工藝需要，電渣錠重量可以在重熔過程中通過控制錠高準確獲得。鍛件需要多大的鋼錠，就可恰如其分地重熔出多大的鋼錠，這樣就避免了電爐錠常常發(fā)生的余料浪費。大鍛件重量是按零件要求確定的，而零件又不具備批量性，因此大鍛件用鋼錠大小不一，規(guī)格繁多，常常在30種上下，各種不同錠型的澆鑄設(shè)施、澆鑄工藝和車間管理都很復(fù)雜，而電渣錠卻巧妙地解決了這些復(fù)雜的問題。

(a)未切除的頂端 (b)未切除的底端圖4 頂?shù)谉o切除的電渣鋼鍛件端部外觀Figure 4 The appearance of both ends of uncropped forging of ESR ingot

3.3 產(chǎn)品廢品率低

(1)大鍛件能否合格的先決條件在于鋼錠冶金質(zhì)量的高低，大鍛件的廢品至少有一半是由于鋼錠的冶金質(zhì)量不良所致。M.wahlster對大鍛件廢品原因的統(tǒng)計分析表明[14]，非金屬夾雜物導(dǎo)致的廢品占廢品總量的44%，鍛壓和機加工占17%，偏析、白點占15%，裂紋、斷裂等占13%，力學(xué)性能不合格占11%。非金屬夾雜物、偏析都屬于冶金缺陷，這些冶金缺陷造成的廢品占廢品總量的比例超過50%，經(jīng)電渣重熔后，這些報廢原因基本得到消除。由于裂紋、斷裂和力學(xué)性能不合格等原因造成的廢品占廢品總量的24%，經(jīng)電渣重熔后，也大大減少。即使在重熔過程中發(fā)生泄漏事故而沒有達到工藝重量的鋼錠，也不是廢品，它的冶金質(zhì)量仍然是優(yōu)良的，可通過改制其他產(chǎn)品加以利用?？傊?，電渣重熔可使大鍛件的廢品率至少降低一半。

(2)一個200 t乃至300 t重的鍛件價值數(shù)千萬元，而廢品的判定常常不是在大鍛件生產(chǎn)的前期而是在加工過程的最后階段，哪怕是出一件廢品經(jīng)濟損失也非常之大。大鍛件通常都是單件生產(chǎn)，只要降低一點點廢品率就會產(chǎn)生重大的經(jīng)濟效益。

(3)鍛件越大，所需鋼錠越大；而鋼錠越大，內(nèi)部缺陷就越嚴重，鍛件報廢的風(fēng)險也就越大。鍛件越大，價值越大，減少和消滅廢品就顯得尤為重要。因此，就保證質(zhì)量這點來說，較大的鍛件采用電渣法生產(chǎn)更可靠。就生產(chǎn)成本來說，大量具體實例的比較也說明[14]，電渣法對于生產(chǎn)較大的鍛件更為有利。

(4)鍛件重量超過一定噸位后，電渣鋼鍛件的生產(chǎn)成本就低于電爐鋼鍛件的生產(chǎn)成本，而且鍛件越大，電渣鋼鍛件的經(jīng)濟效益優(yōu)勢越突出(圖5)[14]。這也是人們常常詢問的又一大問題。其實，單就電渣錠的高利用率和低廢品率這兩大突出優(yōu)勢來說，就有巨大的經(jīng)濟效益。比如，生產(chǎn)300 t重的鍛件，用電渣錠和用電爐錠相比，一個鍛件要節(jié)省材料200 t，加上電渣鋼鍛件廢品率的下降，其經(jīng)濟效益之大是出乎人們意料之外的。一個專門從事電渣鋼大鍛件生產(chǎn)和經(jīng)營的公司，在細分市場上實施差異化策略，敏捷制造，人均年銷售收入超過千萬元，利潤豐碩，這在制造業(yè)還不多見就是明證。

圖5 制造成本變化(電渣法與電爐法比較)Figure 5 The change of manufacturing costs (compare ESR process with EAF process)

3.4 生產(chǎn)工藝簡化

(1)用傳統(tǒng)工藝方法生產(chǎn)用以制造300 t鍛件的電爐錠，需要上千人。而采用將精煉和澆鑄合二為一的電渣法時，只需要60人～80人就夠了。

(2)用電渣錠生產(chǎn)大鍛件，可簡化鍛壓和熱處理工藝，減少鍛壓比和質(zhì)量檢驗，降低成本。比如，德國薩爾鋼廠鍛壓工藝通過取消鐓粗工序用?2 300 mm電渣錠在60 MN水壓機上生產(chǎn)出600 MW整體汽輪機轉(zhuǎn)子和1 200 MW組合轉(zhuǎn)子，超聲波檢驗的缺陷僅為?1.0 mm當量。2008年筆者在薩爾鋼廠鍛壓車間也見到過類似情況。如果是電爐錠，為了保證轉(zhuǎn)子質(zhì)量，鍛壓過程必須經(jīng)過鐓粗，那么，用60 MN水壓機是無法生產(chǎn)600 MW和1 200 MW轉(zhuǎn)子鍛件的。廠方認為，這是電渣錠的優(yōu)越性的體現(xiàn)，簡化生產(chǎn)工藝不但降低了鍛件成本，而且使得用小壓機生產(chǎn)大鍛件成為可能。

4 討論與總結(jié)

(1)優(yōu)質(zhì)巨型鋼錠的生產(chǎn)技術(shù)是大鍛件特別是高端大鍛件制造的關(guān)鍵核心技術(shù)，是衡量一個國家基礎(chǔ)制造工業(yè)發(fā)展水平和科學(xué)技術(shù)擁有一定攻堅能力的重要標志之一。為了獲得優(yōu)質(zhì)巨型鋼錠，改革冶煉技術(shù)以提高其冶金質(zhì)量，一直是冶金工作者著力研究的重大課題，并不斷取得成就。比如爐外精煉，它通過減壓、攪拌、加熱、噴吹等手段，特別是采用減壓處理和攪拌技術(shù)，能把鋼水中的氣體和夾雜物去除到很低的程度，并能改變夾雜物的形態(tài)和類型。為了免受鋼水二次污染和改善鋼錠的結(jié)晶組織，冶金工作者一直在完善澆鑄工藝、改進澆鑄設(shè)備，不同成分的多爐鋼水混澆、真空澆鑄等都起到了積極作用。但是，所有這些，都沒能杜絕耐火材料對鋼水的污染，都沒能從根本上改善鋼錠的結(jié)晶組織。也就是說，在夾雜物控制方面，只能保證鋼水而很難保證鋼錠的高純凈度；在凝固控制方面，尚缺乏有力措施，由于凝固是靠自然冷卻，使得鋼錠的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)始終存在著較大的不均勻性。隨著鋼錠尺寸和噸位的增加，其鑄態(tài)組織隨之惡化，縮孔、疏松、偏析、夾雜物積聚等凝固缺陷隨之發(fā)展，化學(xué)和物理的不均勻性更加嚴重。這和大鍛件質(zhì)量性能日益嚴格的要求構(gòu)成尖銳的矛盾。為了保證大鍛件的質(zhì)量，只好大量切除不合格部分，以致生產(chǎn)一個300 t的鍛件需要用600 t的鋼錠，利用率僅50% 左右，但鋼錠心部的夾雜物積聚導(dǎo)致大鍛件報廢的危險性仍很大。因此，沿襲擴大鋼錠尺寸和噸位，耗費巨資建造龐大設(shè)備去制取社會需求量不大、有用部分不多的巨型普通錠(如600 t錠)，筆者認為是不可取的。

(2)由于電渣冶金所固有的特點，它既從內(nèi)部創(chuàng)造了精煉凈化金屬的良好條件，又從外部杜絕了夾雜物的來源。尤其具有對于結(jié)晶至關(guān)重要的優(yōu)越的冷卻條件，而且它把熔煉和澆鑄兩道工序合二為一，為解決巨型鋼錠的“純凈度”和“均勻性”兩大冶金質(zhì)量難題，提供了將兩者緊密結(jié)合的良好條件。生產(chǎn)實踐也已經(jīng)證明，采用電渣法生產(chǎn)特大鍛件用巨型鋼錠，設(shè)備簡單，投資較少，工藝靈活，適應(yīng)性、可控性強，操作易于掌握，質(zhì)量可靠性高，經(jīng)濟合理有效，是生產(chǎn)特大鍛件用巨型鋼錠比較理想的方法。其獨特的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢已受到業(yè)界前所未有的重視和推崇，以至450 t、400 t、300 t、200 t、120 t、100 t的大型電渣爐紛紛上馬，有的已投入運行，有的正在安裝，有的正在制造，有的正在設(shè)計，有的還在籌劃，有的計劃要陸續(xù)新增50 t、80 t、120 t、240 t系列電渣爐設(shè)備。國外也在投建350 t、250 t、145 t、135 t的大型電渣爐，呈現(xiàn)一派興隆景象。特別是，有的單位在已擁有生產(chǎn)600 t電爐錠的裝備而又遲遲拿不出600 t電爐錠的緊迫情況下，果斷上了450 t電渣爐，迅速扭轉(zhuǎn)了被動局面，這個決策極其高明，意義極其深遠。其實，早在30多年前，就有資深專家指出，電渣法在大鍛件生產(chǎn)中實際上處于一種壟斷的地位[14]。

(3)大型電渣爐的工業(yè)化生產(chǎn)，才僅僅40年短暫時間。2001年5月，世界電渣技術(shù)的權(quán)威人士、奧地利Inteco公司W(wǎng). Holzgruber博士承認，技術(shù)上突破100 t的電渣爐僅有德國薩爾鋼廠和中國上海重型機器廠兩家[19]。的確，在全世界，100 t以上的電渣爐一直正常生產(chǎn)運行、不斷創(chuàng)造業(yè)績和效益的，除了德國就是中國，爐子也才僅有兩座，450 t超大型爐子還在生產(chǎn)經(jīng)驗的積累中?？上攵?，巨型錠電渣重熔特別是100 t以上的爐子的工業(yè)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗是極其有限的。這種本來是生產(chǎn)高均勻性、高純凈度金屬材料小錠的特種熔煉技術(shù)，隨著爐容量十倍百倍地擴大，使得很多工藝因素復(fù)雜化。這不是一個簡單的數(shù)量增加，而是跨越，是質(zhì)的飛躍。數(shù)量的增加將引起質(zhì)的變化，這是一切事物發(fā)展的普遍規(guī)律，概莫能外。沒有文獻資料查詢，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗借鑒，實驗室研究結(jié)果無濟于事，小型工業(yè)性試驗研究結(jié)果也不能直接引用，必須進行大量的實際熔煉研究和生產(chǎn)現(xiàn)場摸索。事實已一再證明，電渣爐設(shè)備可以制造出來，但設(shè)備是否好用那就很難說。在國內(nèi)，15 t～40 t的電渣爐尚不能順利運行的時有所聞。烏克蘭是電渣重熔技術(shù)的發(fā)祥地，但是烏克蘭的大型電渣爐也不成功。比如，1976年出口波蘭的ЭШП-200型電渣爐(200 t)、1980年新克拉馬托爾斯克機器制造廠(НКМЗ)建造的200 t電渣爐(?2 550 mm)和出口朝鮮千里馬鋼廠的200 t電渣爐都無法開爐煉鋼[20～22]。30年過去了，杳無音訊，至今也未見那些爐子投入生產(chǎn)使用的報道。Б. И. Медовар院士公開承認，蘇聯(lián)只能生產(chǎn)60 t電渣錠。筆者在同Ю. В. Латаш教授、А. Г. Богаченко博士、Г. А. Бойко博士接觸和交流中曾仔細詢問，他們都證實蘇聯(lián)沒有生產(chǎn)過百噸電渣錠，并告知60 t電渣錠是伊若爾重機廠(ИЖЗ)那臺電渣爐(75 t)生產(chǎn)的。這些經(jīng)驗教訓(xùn)很值得重視。

(4)的確，這是一個世界上屢屢不成功的非標設(shè)計。在某種程度上說，是個世界性的創(chuàng)舉，難度要比人們想象的大得多。特別要強調(diào)指出的是，即使爐子好用，也還有個會不會用的問題。因此，必須全面掌握熔煉軟技術(shù)和一系列檢測技術(shù)，如，電制度、渣制度、溫度制度、速度制度、啟動技術(shù)、高均勻性控制技術(shù)、低氫控制技術(shù)、低氧控制技術(shù)、低鋁控制技術(shù)、脫氧技術(shù)、凝固控制技術(shù)、補縮技術(shù)、爐氣分析技術(shù)、爐渣分析技術(shù)、熔池檢測技術(shù)等。而設(shè)備設(shè)計單位往往并不具備這些專有技術(shù)。近百年世界產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史表明，真正起作用的技術(shù)幾乎都來自企業(yè)。比如，通訊領(lǐng)域的貝爾，汽車領(lǐng)域的福特，飛機領(lǐng)域的波音和空客，化工領(lǐng)域的杜邦和拜耳，機床領(lǐng)域的西門子，計算機領(lǐng)域的IBM、英特爾、微軟等等，這是必須引起認真注意的。

(5)我國的巨型錠電渣重熔技術(shù)在國際上的領(lǐng)先地位是舉世公認的，我國200 t電渣爐在完成國家重點建設(shè)項目的攻關(guān)任務(wù)中做出了一個又一個重大貢獻，不斷受到國內(nèi)外專家的關(guān)注和推崇。其成熟技術(shù)已應(yīng)用了30多年，積累了豐富的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，450 t超大型電渣爐也在不斷積累生產(chǎn)經(jīng)驗。德國的165 t爐也擁有成熟的工藝技術(shù)。除此之外，正如 W. Holzgruber所說，世界上其他國家都沒有生產(chǎn)100 t以上鋼錠的電渣技術(shù)。顯然，我國發(fā)展巨型錠電渣技術(shù)具有得天獨厚的優(yōu)勢。資源可以共享，在新建大型電渣爐時，不必眼睛向國外，不必每臺爐子都國撥資金重復(fù)研究，以進行專利和技術(shù)訣竅的有償轉(zhuǎn)讓為宜，這樣駕輕就熟，既省錢又高效。

(6)電渣技術(shù)還包括電渣澆注和電渣補縮，把電渣重熔和電渣澆注有機結(jié)合，并不斷改進電渣補縮技術(shù)，對降低單位電耗、提高生產(chǎn)率和進一步提高鋼錠利用率具有重要意義。這樣，電渣法生產(chǎn)巨型鋼錠的經(jīng)濟效益還會進一步提高。

(7)核電鍛件是核電主設(shè)備生產(chǎn)和核電站建設(shè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，是核電設(shè)備自主化的重中之重。以核島鍛件和常規(guī)島低壓轉(zhuǎn)子為代表的核電鍛件，體現(xiàn)了大鍛件制造領(lǐng)域的最高技術(shù)水平，要求具有極高的均勻性和純凈度，優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和焊接性能，高的塑性和韌性儲備，低的中子輻照脆化敏感性等，必須保證安全使用60年。電渣鋼大鍛件質(zhì)量性能優(yōu)異，電渣法對于生產(chǎn)核電鍛件具有更強的適應(yīng)性，電渣法生產(chǎn)核電鍛件的優(yōu)勢更為突出。我們都知道，在AP1000主設(shè)備標準設(shè)計中，采用了許多一體化大鍛件，如反應(yīng)堆壓力容器整體頂蓋封頭和法蘭接管段筒體、蒸汽發(fā)生器錐形筒體和一體化水室封頭、穩(wěn)壓器上封頭和下封頭等。一體化使鍛件重量增加，鍛件形狀復(fù)雜，制造難度極大，逼近制造極限。壓機不成問題，問題在于鋼錠冶金質(zhì)量，比如法蘭接管段筒體，它處于活性區(qū)，承受高溫、高壓和強輻照，材料質(zhì)量和性能指標都要求很高，鍛件重達280 t，需要500 t以上的電爐錠；又如整體頂蓋，法蘭部分毛坯壁厚達730 mm～787 mm?？梢钥隙?，采用電渣錠制造，風(fēng)險要小得多，事實上，20多年前采用電渣錠制造我國第一套核電鍛件的生產(chǎn)實踐就已證明過。經(jīng)過20年的發(fā)展，經(jīng)驗更加豐富了，技術(shù)更加成熟和完善了，建議國家有關(guān)部門更加重視、更加支持我國原創(chuàng)的先進技術(shù)——巨型錠電渣技術(shù)的發(fā)展，充分發(fā)揮其技術(shù)、質(zhì)量和經(jīng)濟的優(yōu)勢，為建設(shè)創(chuàng)新性國家做更大貢獻。

[1] Медовар Б И, идр. Пробл. Cпец. Электорометаллургии, 1978，9：34-38.

[2] Compbell J. Fluid Flow and Droplet Formation in the ESR Process, JI of Metal, 1970, 7:23-25.

[3] Xiang Dalin, et al. Investigation and Application of ESR Technique for Controlling Low Al Content in 200t ESR Furnace, Proc.1991 Vac. Metall. Conf. Pittsburgh, AISI.

[4] 向大林，等.中國專利，ZL 90 1 02919.X.

[5] Haverkamp K D,et al. Ironmaking and Steelmaking, 1986，13(5)：276-280.

[6] Choudury A, et al. Stahl u.Eisen, 1976，96：946-951.

[7] Jauch R, et al. Stahl u.Eisen,1975，95：408-413.

[8] Jauch R,et al. Ironmaking and Steelmaking,1979，6：75-83.

[9] 向大林，等.鋼鐵，1999，34(12)：23-26.

[10] 向大林，等.中國專利，ZL 92 1 08419.6.

[11] 向大林，等.鋼鐵，1991，26(7)：22-25.

[12] Xiang Dalin, et al.Controlling Metallurgical Quality in a 200 Ton ESR Installation, 10th ICVM，1990，226-246.

[13] 高維森，等.S271電渣鋼大鍛件的輻射實驗總結(jié)(87所成字19號)，核工業(yè)部一院一所)，1987.

[14] Wahlser M. Iron and Steel Eng. 1975, 3:29-34.

[15] Πaтон Б E, Медовар Б И. Электорошлаковый Металл, Киев, Наукова Думка, 1981:595-648.

[16] Иванов И Н, идр. Экономика Cпециальной Электорометаллургии, металлургия, 1982.

[17] Rainer T. Stahl u. Eisen, 1985，105(19)：27-34.

[18] Zhu Jue, et al. The Construction and Operation of the 200 Ton ESR Furnace in China Proc. 9th ICVM, Special Melting and Processing Technologies, 1988：640.

[19] 李正邦.電渣冶金的理論與實踐，北京：冶金工業(yè)出版社，2010：259.

[20] Πaтон Б E. Электорошлаковаый Печи，Киев，Наукова Думка，1976.

[21] Медовар Б И，идр. Электорошлаковая Мехнология за Pубежом，Киев，Наукова Думка，1982：19-29.

[22] 曾祖良，等.蘇聯(lián)及東歐各國重型機械制造業(yè)生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，1989：46.